Discussão
a ideia básica
Dieeléctricos são isoladores, simples e simples. As duas palavras referem-se à mesma classe de materiais, mas são de origem diferente e são utilizadas preferencialmente em contextos diferentes.
- Incluído que as cargas tendem a não se mover facilmente em sólidos não metálicos é possível ter “ilhas” de carga em vidro, cerâmica, e plásticos. A palavra latina para ilha é ínsula, que é a origem da palavra isolante. Em contraste, as cargas em sólidos metálicos tendem a mover-se facilmente – como se alguém ou alguma coisa os estivesse a conduzir. O prefixo latino con ou com significa “com”. Uma pessoa com quem se tem pão é um companheiro. (A palavra latina para pão é panis.) Levar algo consigo na estrada é transmiti-lo. (A palavra latina para estrada é via.) A pessoa com quem viaja e que conduz o caminho ou proporciona uma passagem segura é um condutor. (A palavra latina para líder é ductor.) Um material que proporciona a passagem segura de cargas eléctricas é um condutor.
- Inserir uma camada de sólido não metálico entre as placas de um condensador aumenta a sua capacitância. O prefixo grego di ou dia significa “transversalmente”. Uma linha que atravessa os ângulos de um rectângulo é uma diagonal. (A palavra grega para ângulo é gonia – γωνία.) A medida através de um círculo é um diâmetro. (A palavra grega para medida é metron – μέτρον.) O material colocado através das placas de um condensador como uma pequena ponte não condutora é um dieléctrico.
O revestimento de plástico sobre um cabo eléctrico é um isolante. As placas de vidro ou de cerâmica utilizadas para suportar linhas eléctricas e evitar o curto-circuito das mesmas com o solo são isoladores. Praticamente sempre que um sólido não metálico é utilizado num dispositivo eléctrico é chamado isolador. Talvez a única vez que a palavra dieléctrica é usada seja em referência à camada não condutora de um condensador.
Dielectricos em condensadores servem três propósitos:
- para evitar que as placas condutoras entrem em contacto, permitindo separações de placas mais pequenas e, portanto, maiores capacidades;
- para aumentar a capacidade efectiva reduzindo a intensidade do campo eléctrico, o que significa que se obtém a mesma carga a uma tensão mais baixa; e
- para reduzir a possibilidade de curto-circuito por faísca (mais formalmente conhecida como ruptura dieléctrica) durante o funcionamento a alta tensão.
o que se passa aqui
Quando um metal é colocado num campo eléctrico, os electrões livres fluem contra o campo até ficarem sem material condutor. Em pouco tempo, teremos um excesso de electrões de um lado e um défice do outro. Um lado do condutor tornou-se carregado negativamente e o outro positivamente carregado. Solte o campo e os electrões do lado com carga negativa encontram-se agora demasiado próximos para se sentirem confortáveis. Tal como as cargas repelem e os electrões fogem uns dos outros o mais rapidamente possível até serem distribuídos uniformemente por todo o lado; um electrão por cada próton em média no espaço à volta de cada átomo. Um electrão condutor num metal é como um cão de corrida encurralado num pasto. Eles são livres de vaguear o quanto quiserem e podem percorrer todo o comprimento, largura e profundidade do metal por capricho.
A vida é muito mais restritiva para um electrão num isolador. Por definição, as cargas de um isolador não são livres de se mover. Isto não é a mesma coisa que dizer que não se podem mover. Um electrão num isolador é como um cão de guarda amarrado a uma árvore – livre de se mover, mas dentro de limites. Colocar os electrões de um isolador na presença de um campo eléctrico é como colocar um cão amarrado na presença de um carteiro. Os electrões irão esticar o mais possível contra o campo, da mesma forma que o nosso hipotético cão irá esticar o mais possível contra a sua trela. Contudo, os electrões à escala atómica são mais parecidos com nuvens do que com cães. O electrão está efectivamente espalhado por todo o volume de um átomo e não está concentrado em nenhum local. Um bom cão atómico não seria chamado Spot, suponho.
Quando os átomos ou moléculas de um dieléctrico são colocados num campo eléctrico externo, os núcleos são empurrados com o campo resultando numa carga positiva aumentada de um lado enquanto as nuvens de electrões são puxadas contra ele resultando numa carga negativa aumentada do outro lado. Este processo é conhecido como polarização e diz-se que um material dieléctrico em tal estado é polarizado. Existem dois métodos principais pelos quais um dieléctrico pode ser polarizado: estiramento e rotação.
Extensão de um átomo ou molécula resulta num momento dipolo induzido adicionado a cada átomo ou molécula.
Rotação ocorre apenas em moléculas polares – aquelas com um momento dipolo permanente como a molécula de água mostrada no diagrama abaixo.
As moléculas polares geralmente polarizam mais fortemente do que as moléculas não polares. A água (uma molécula polar) tem uma força dieléctrica 80 vezes superior à do azoto (uma molécula não polar que é o principal componente do ar). Isto acontece por duas razões – uma das quais é geralmente trivial. Primeiro, todas as moléculas esticam-se num campo eléctrico, quer girem ou não. As moléculas não polares e os átomos esticam-se, enquanto as moléculas polares se esticam e rodam. Esta combinação de acções só tem um efeito minúsculo no grau geral em que uma substância polarizará, contudo. O que é mais importante é que as moléculas polares já estão fortemente estiradas – naturalmente. A forma como os átomos de hidrogénio se sentam nos braços das nuvens de electrões de um átomo de oxigénio distorce a molécula para um dipolo. Tudo isto tem lugar a uma escala interatómica ou molecular. Em separações tão pequenas, a força do campo eléctrico é relativamente enorme para o que de outra forma seria uma voltagem sem precedentes (13,6 V para um electrão num átomo de hidrogénio, por exemplo).
Extensão e rotação não são o fim da história quando se trata de polarização. São apenas os métodos mais simples de descrever ao observador casual. Em geral, a polarização de um material dieléctrico é uma tensão electrostática microscópica em resposta a uma tensão electrostática macroscópica. Um campo externo aplicado a um dieléctrico não pode fazer com que as cargas se movam macroscopicamente, mas pode esticá-las e distorcê-las microscopicamente. Pode empurrá-las para posições desconfortáveis e, quando libertadas, permitir que caiam de novo num estado relaxado. O que torna a polarização num isolador diferente de esticar um corpo elástico como uma mola é que a eliminação do stress não liberta necessariamente a tensão. Alguns isoladores permanecerão no seu estado polarizado durante horas, dias, anos, ou mesmo séculos. Os tempos característicos mais longos têm de ser extrapolados a partir de observações incompletas de duração mais razoável. Ninguém vai ficar sentado e esperar dois mil anos para ver a polarização de um pedaço de plástico reduzir-se a zero. Não vale a pena esperar.
Finalmente, é algo importante ter em mente que as cargas “armazenadas” numa camada dieléctrica não estão disponíveis como um conjunto de cargas gratuitas. Para as extrair, ainda são necessárias placas metálicas. É importante lembrar que a única razão pela qual alguém parece preocupar-se com este fenómeno é que ele nos ajuda a fazer melhores condensadores. Penso que é aí que esta discussão deve terminar.
capacitores com dieléctricos
P>Colocar uma camada dieléctrica entre duas placas metálicas carregadas paralelamente com um campo eléctrico apontando da direita para a esquerda. (Porque não da esquerda para a direita? Bem, leio da direita para a esquerda, o que me facilita a “leitura” dos diagramas). Os núcleos positivos do dieléctrico mover-se-ão com o campo para a direita e os electrões negativos mover-se-ão contra o campo para a esquerda. As linhas de campo começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas, pelo que o campo eléctrico dentro de cada átomo ou molécula de tensão do dieléctrico aponta da esquerda para a direita no nosso diagrama – oposto ao campo externo das duas placas metálicas. O campo eléctrico é uma quantidade vectorial e quando dois vectores apontam em direcções opostas, subtrai-se as suas magnitudes para obter a resultante. Os dois campos não se anulam completamente num dieléctrico como o fariam num metal, pelo que o resultado global é um campo eléctrico mais fraco entre as duas placas.
Magnify
P>Deixe repetir que – o resultado global é um campo eléctrico mais fraco entre as duas placas. Vamos fazer algumas contas.
Campo eléctrico é o gradiente do potencial eléctrico (mais conhecido como voltagem).
| Ex = – | ∆V | ||
| ∆x | |||
| Ey = – | ∆V | ⇒ | E = – ∇V |
| ∆y | |||
| Ez = – | |||
| ∆z |
Capacidade é a relação entre carga e tensão.
| C = | Q |
Introduzir um dieléctrico num condensador diminui o campo eléctrico, o que diminui a tensão, o que aumenta a capacitância.
| C ∝ | 1 | (Q constante) | ⇒ | C ∝ | (d, Q constante) |
| V | 1 | ||||
| V ∝ E (d constante) | E | ||||
Um condensador com um dieléctrico armazena a mesma carga que um sem dieléctrico, mas com uma voltagem mais baixa. Portanto, um condensador com um dieléctrico dentro é mais eficaz.
STA PEQUENA PEÇA PARTE AQUI PRECISA DE ALGUM TRABALHO.
Sobre as primeiras descobertas do frasco de Leyden. A remoção da haste baixa a capacitância. (O ar tem uma constante dieléctrica inferior à água.) A tensão e a capacitância são inversamente proporcionais quando a carga é constante. A redução da capacidade aumenta a voltagem.
susceptibilidade, permissividade, constante dieléctrica
O momento eléctrico dipolo de qualquer coisa – seja um átomo esticado num campo eléctrico externo, uma molécula polar, ou duas esferas metálicas com carga oposta – é definido como o produto da carga e da separação.
p = q r
com a unidade SI do medidor de coulomb, que não tem nome especial.
A polarização de uma região é definida como o momento dipolo por unidade de volume
| P = | ∑p |
| V |
com a unidade SI de coulomb por metro quadrado.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
Calcular a polarização a partir dos primeiros princípios é um procedimento difícil que é melhor deixar para os peritos. Não se preocupe com os detalhes da razão pela qual a polarização tem o valor que tem, apenas aceite que ela existe e é uma função de algumas variáveis. E quais são essas variáveis? Porque são materiais e força de campo, é claro. Materiais diferentes polarizam em diferentes graus – usaremos a letra grega χe para representar esta quantidade conhecida como a susceptibilidade eléctrica – mas para a maioria dos materiais, quanto mais forte for o campo (E), maior será a polarização (P). Acrescente uma constante de proporcionalidade ε0 e estamos todos definidos.
P = ε0χeE
A susceptibilidade eléctrica é um parâmetro sem dimensão que varia com o material. O seu valor varia entre 0 para espaço vazio e o que quer que seja. Aposto que existem mesmo alguns materiais bizarros para os quais este coeficiente é negativo (embora eu não tenha a certeza). A constante de proporcionalidade ε0 é conhecida como a permissividade do espaço livre e será discutida um pouco mais tarde. Por agora, é apenas um dispositivo para fazer funcionar as unidades.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
|
| m2 |
WRITE THE REST OF THIS
A quantidade κ é unitless.
| material | κ | material | κ | |
|---|---|---|---|---|
| air | 1.005364 | quartzo, cristalino (∥) | 4.60 | |
| ácido acético | 6.2 | quartzo, cristalino (⊥) | 4.51 | |
| álcool, etílico (grão) | 24.55 | quartz, fused | 3.8 | |
| álcool, metilo (madeira) | 32.70 | borracha, butil | 2.4 | |
| amber | 2.8 | >> | rubber, neoprene | 6.6 |
| asbestos | 4.0 | >>>/td> | borracha, silicone | 3.2 |
| asphalt | 2.6 | >> | borracha, vulcanizada | 2.9 |
| bakelite | 4.8 | >>>>/td> | sal | 5.9 |
| calcite | 8.0 | >> | selenium | 6.0 |
| carbonato de cálcio | 8.7 | >> | silicon | 11.8 |
| cellulose | 3,7-7,5 | carboneto de silício (αSiC) | 10.2 | |
| cement | ~2 | dióxido de silício | 4.5 | |
| cocaina | 3.1 | > | óleo de silicone | 2.7-2.8 |
| cotton | 1.3 | soil | 10-20 | |
| diamond, tipo I | 5.87 | titanato de estrôncio, +25 °C | 332 | |
| diamond, tipo IIa | 5.66 | titanato de estrôncio, -195 °C | 2080 | |
| ebonite | 2.7 | sulfur | 3.7 | |
| epoxy | 3.6 | tantalum pentoxide | 27 | |
| flour | 3 – 5 | teflon | 2.1 | |
| freon 12, -150 °C (líquido) | 3.5 | tin antimonida | 147 | |
| freon 12, +20 °C (vapor) | 2.4 | tin telluride | 1770 | |
| germanium | 16 | dióxido de titânio (rutilo) | 114 | |
| glass | 4-7 | tobacco | 1.6-1.7 | |
| glass, pyrex 7740 | 5.0 | dióxido de urânio | 24 | |
| gutta percha | 2.6 | vacuum | 1 (exactamente) | |
| jet fuel (jet a) | 1.7 | água, gelo, -30 °C | 99 | |
| óxido de chumbo | 25.9 | água, líquido, 0 °C | 87.9 | |
| lead niobate de magnésio | 10.000 | água, líquido, 20 °C | 80.2 | |
| lead sulfide (galena) | 200 | água, líquido, 40 °C | 73.2 | |
| lead titanate | 200 | > | água, líquido, 60 °C | 66.7 |
| lithium deuteride | 14.0 | água, líquido, 80 °C | 60,9 | |
| lucite | 2.8 | água, líquido, 100 °C | 55.5 | |
| mica, moscovite | 5.4 | cera, cera de abelhas | 2.7-3.0 | |
| mica, canadiano | 6.9 | wax, carnuba | 2.9 | |
| nylon | 3.5 | cera, parafina | 2.1-2.5 | |
| óleo, linhaça | 3.4 | papel encerado | 3.7 | |
| óleo, mineral | 2.1 | |||
| oil, azeitona | 3.1 | tecidos humanos | ||
| óleo, petróleo | 2.0-2.2 | bone, cancellous | 26 | |
| oil, silicone | 2.5 | bone, cortical | 14,5 | |
| oil, esperma | 3.2 | cérebro, matéria cinzenta | 56 | |
| óleo, transformador | 2.2 | brain, white matter | 43 | |
| paper | 3.3, 3.5 | brain, meninges | 58 | |
| plexiglas | 3.1 | cartilagem, geral | 22 | |
| polyester | 3.2-4.3 | cartilagem, orelha | 47 | |
| polietileno | 2.26 | eye, humor aquoso | 67 | |
| polipropileno | 2.2-2.3 | eye, córnea | 61 | |
| poliestireno | 2.55 | eye, sclera | 67 | |
| cloreto de polivinilo (pvc) | 4.5 | fat | 16 | |
| porcelana | 6-8 | muscle, smooth | 56 | |
| niobate de potássio | 700 | > | muscle, estriado | 58 |
| niobato tantalato de potássio, 0 °C | 34.000 | skin | 33-44 | |
| niobato tantalato de potássio, 20 °C | 6,000 | tongue | 38 |
avaria dieléctrica
Todos os isoladores podem ser forçados a conduzir electricidade. Este fenómeno é conhecido como avaria dieléctrica.
| material | field (MV/m) |
material | field (MV/m) |
|
|---|---|---|---|---|
| air | 3 | paper | 14, 16 | |
| amber | 90 | polietileno | 50, 500-700, 18 | |
| bakelite | 12, 24 | poliestireno | 24, 25, 400-600 | |
| diamond, tipo IIa | 10 | cloreto de polivinil (PVC) | 40 | |
| vidro, pyrex 7740 | 13, 14 | porcelana | 4, 12 | |
| mica, muscovite | 160 | quartz, fused | 8 | |
| nylon | 14 | rubber, neoprene | 12, 12 | |
| oil, silicone | 15 | strontium titanate | 8 | |
| oil, transformador | 12, 27 | teflon | 60 | |
| dióxido de titânio (rutilo) | 6 |
efeitopiezoeléctrico
Diga todas as vogais. Piezoelectricidade é um efeito pelo qual a energia é convertida entre formas mecânicas e eléctricas.
- Piezo é a palavra grega para pressão (πιεζω).
- Descoberto nos anos 1880 pelos irmãos Curie.
- Piezo microfones piezoeléctricos. Quando um cristal polarizado é stressado, o stress produz uma diferença potencial. Esta diferença de potencial é proporcional ao stress, que é proporcional à pressão acústica.
- Um microfone piezoeléctrico retrógrado é um altifalante piezoeléctrico: campainha de alarme, campainha de relógio de pulso, todo o tipo de bipes electrónicos. Quando um potencial eléctrico é aplicado a um cristal polarizado, o cristal sofre uma deformação mecânica que pode por sua vez criar uma pressão acústica.
- Collagen é piezoeléctrico. “Quando uma força é aplicada ao colagénio, é gerado um pequeno potencial eléctrico dc. O colagénio conduz a corrente principalmente através de cargas negativas. Cristais minerais do osso (apatita) próximos da corrente condutora de colagénio por cargas positivas. Numa junção destes dois tipos de semicondutores, a corrente flui facilmente numa direcção, mas não na outra direcção…. Pensa-se que as forças sobre os ossos produzem potenciais pelo efeito piezoeléctrico e que as junções colagénio-apatite, correntes são produzidas que induzem e controlam o crescimento ósseo. As correntes são proporcionais ao stress (força por unidade de área), pelo que o aumento do stress mecânico dos ossos resulta num aumento do crescimento”. Física do Corpo (255).
| th>type | |||
|---|---|---|---|
| carbono | granule density | resistance | voltage |
| condensador | separação de placas | capacidade | voltagem |
| dinâmica | localização da bobina | flux | voltagem |
| compressão | polarização | voltagem |